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变压器油的性能、试验和处理TPRI讲课人：王允二○○九年七月电力变压器按绕组的绝缘和冷却介质分类，可以分为液体浸渍变压器、气体绝缘变压器和干式变压器。目前在液体浸渍变压器中广泛使用的绝缘液体是变压器油，因其除了具有性能优良、天然存储量丰富、价格低廉等优点外，还具有下列特点：1、和纸绝缘（纤维材料）结合使用，具有极高的击穿电压，可以减少绝缘距离，降低成本；2、变压器油的粘度低，传热性能良好，使充油设备有良好的热循环回路，以达到冷却散热的目的；3、隔绝设备（铁心和绕组）绝缘与空气的接触，防止绝缘受潮，减缓设备的老化，延长设备的使用寿命；4、在油浸开关设备中，变压器油主要起到灭弧作用。变压器油的化学结构非常复杂，目前所知道的变压器油大约有2900种烃类成分。从应用的角度，我们不一定要完全搞清楚其烃类成分，但我们必须了解变压器油的种种特性和功能，以及在运行中油的氧化过程极其氧化产物，为及时发现变压器油异常和充油电气设备的故障，确保其安全经济运行做出贡献。主要内容§1.原油的化学组成和变压器油的炼制工艺§2.变压器油的性能及试验§3.变压器油的老化和污染§4.变压器油的维护和处理TPRI§1.原油的化学组成和变压器油的炼制工艺一、原油的性质和化学组成二、生产变压器油的原油三、变压器油的炼制工艺TPRI一、原油的性质和化学组成1、原油的元素组成原油主要由C、H及S、O、N五种元素组成，还含有微量的金属元素和非金属元素。这五种元素在原油中的含量分别为C占83%—87%，H占10%—14%，S占0.02%—2%，O占0.05%—2%TPRI2、原油的馏分组成汽油馏分（40—180℃）C6—C10煤油馏分（180—280℃）C10—C16柴油馏分（280—360℃）C17—C20润滑油馏分（360—500℃）C20以上润滑油馏分：汽轮机油变压器油3、原油的化学组成烷烃（饱和烃，通式为CnH2n+2)环烷烃环状化合物，根据构成环的碳原子数目，可以是三元环、四元环、五元环和六元环的结构；而根据环的数目，环烷烃可以是单环和双环的结构。其结构特征为：链烯烃（非饱和化合物）芳香烃非烃组成CH2CH2H2CCH2H2C变压器油是烃类化合物，其结构由烷烃（CnH2n+2）、环烷烃（CnH2n）、芳烃（CnH2n_2）组成，而烷烃又分直链烷烃和异构烷烃。直链烷烃是直线型的正链烷烃（正构烷烃），即石蜡结构的组合分子呈直线或分枝状；直线型的正链烷烃称之为石蜡，若含正链烷烃的油冷却下来，则油的流动性就会受到阻碍。直链烷烃通常是生产蜡、化工产品及汽油柴油的原料。直链烷烃凝点高，在高电压下易于产生氢气。使油粘度随温度变化很大，在低温时油易凝固。长直链的脂肪族饱和烃，不仅影响变压器油的倾点，使倾点升高，而且在高压电场中，最易析放氢。在高温下，易氧化生成酸，应通过脱蜡或加氢异构化把这类饱和烃除去或改质。此外，应将影响氧化安定性的碱性氮化合物减少。异构烷烃由于具有许多优良的性质而成为变压器油的主要组成部分。其特性：①闪点高，其闪点高于170℃，安全性好；②凝点低；③酸值低，其酸值小于0.00lmgKOH/g；④氧化安定性较好，其使用寿命可达30年；⑤界面张力很高；⑥抗光、电的作用极强，在烈日和高电压下仍能保持非常好的稳定性；⑦析气性适中。环烷烃分子为封闭的环状链，分子结构严密，不易破坏。环烷烃结构的组合分子是环烷，其特点是具有极佳的低温特性，溶解能力较正链烷烃高，在环结构中有5一7个碳原子，最常见的是6个碳原子。可以得到廉价的低凝固点油。在炼油加工工艺不太先进，人工难以制造低凝点油的时代，这一点很宝贵。尤其是对生产45号变压器油，石蜡基油经几道工序，用很大成本，也做不到这一点。通常环烷烃和异构烷烃都可达到变压器油的电性能，差异在于加工方法和条件。环烷烃的析气性适中，缺点是闪点低，抗氧化性能稍差。但环烷烃具有较好的化学稳定性和介电稳定性，凝固点低，使用温度范围宽，介质损耗因数小，电气强度高。芳烃按结构又可以分为单环芳烃、多环芳烃和稠环芳烃。实验表明，后两种芳烃氧化安定性差，是生产中应该清除的。单环芳烃因为它具有良好的析气性，可用于超高压变压器油。芳烃最大的缺点是对健康有影响。芳族结构的变压器油都含有芳族分子，芳族分子至少包含一个6碳原子的环，含一个碳原子环称单芳族，含有多个碳原子环称聚芳族；其特性与石蜡分子、环烷分子完全不同。变压器油中单芳族必定是烷基化，一般具有良好的电气性能和吸气特性，且单芳族在氧化过程中是比较稳定的。聚芳族PAC是在加氢过程中形成的。此外，在自然环境下PAC也会在油中产生，随着沸腾范围的增加，通常PAC含量也会增加。PAC具有良好的抑制氧化作用，吸气能力比单芳族好，PAC对电气性能会有不良的作用。芳烃在天然石油中含量较少，但在环烷基石油中含量较高，其化学稳定性和介电稳定性较好。在电场作用下，不但不析气反而吸气，具有一定的抗析气性，对延长电力设备使用寿命有意义。但芳烃在电弧作用下生成碳粒较多，会降低电气性能。芳烃易燃，随含量增多而使油的密度和粘度增大，其介质损耗因数比烷烃稍大，因此变压器油中只宜保留一定的数量。变压器油分子中碳原子个数为16一23，其分子量在250-310范围内。用通常手段加工的环烷基变压器油中芳烃含量一般为8%-9％。据介绍，出于环保原因，美国1991年规定，8.16MPa加氢压力，427℃下生产出来的环烷基油才可以在美国随便销售，否则要加注“含有致癌物质”。尼纳斯公司及英国变压器油标准中在健康环保项目下规定多环芳烃含量小于3%，反映了欧美对此问题的重视，也说明变压器油中确实存在多环芳烃。我国变压器油二环以上芳烃（包括稠环胶质）石蜡基约为5.5%，环烷基约为3.1%，以异构烷烃为主调和的变压器油为0%~1.5％。任何种油品要达到完全由理想组分来组成是不现实的，因在各种原油中，以上各种烃类都有存在。在石蜡基原油中直链烷烃多一些，环烷基原油中环烷烃多一些，合成异构烷烃中异构烷烃为72%，环烷烃约28%，基本没有芳烃。变压器油较好的生产方案是，以环烷烃或异构合成烃为主，后者需添加深精制环烷基原料，适量合成单环芳烃为辅，并根据用户的需要加人复合添加剂。这样组合的变压器油安全性、电性能、安定性均处于最好水平，且毒性小。法国等欧洲一些国家规定变压器油用石蜡基原油生产，但通过深加工令这种油中的直链烷烃、芳烃含量很低，主要含异构烷烃和环烷烃。变压器油组分性能比较变压器油的理想组分为异构烷烃、环烷烃和少量的单环芳烃。安定性：合成异构烷烃＞环烷烃＞单环芳烃。电性能：均可以。析气性：单环芳烃优于异构烷烃、环烷烃。安全性（闪点）：合成异构烷烃＞单环芳烃＞环烷烃。对人危害性：芳烃＞异构烷烃、环烷烃。凝固点：合成单环芳烃最低，合成异构烷烃、环烷烃相当。为保障变压器油在长期运行条件下，保持其优良的绝缘和散热作用，要求作为介质的烃类分子结构稳定。它能够在高电压电磁场中不产生分解，甚微地析放氢或生成甲烷、乙烷气体。能承受热负荷的作用，在运行10一15年的长时间中，只允许甚微的化学变化（如油泥产生、酸值增加）。对变压器油的这些功能要求体现在对变压器油的各种试验，以及限定的规格指标范圈中，其实就是对产品烃组成的限制。一般来说，构成变压器油的各种烃类（石蜡烃、环烷烃和芳烃）的比例要适当。石蜡烃、环烷烃的氧化产物具有促进氧化的作用，而芳烃的氧化产物具有减缓和阻止氧化的作用，但芳烃含量高，会使基础油对抗氧抑制剂的感受性变差，从而影响变压器油的氧化安全性。变压器油需要有适宜数量结构稳定的芳烃，以保证变压器油的抗析气性能和溶解变压器油运行过程中产生油泥的性能。而对于多支链、短侧链、多环结构的芳烃，多环结构环烷烃，重质的环烷烃都应在加工中除去。很多厂家用常规手段生产的油品中含有微量的不饱和烃（烯烃、炔烃等）和含有氮、硫、磷元素等有害的有机化合物，影响变压器油的安定性。一些无机盐，如硫酸盐、盐酸盐都应除净。环烷基油和石蜡基油性能的对比日常使用的大量的变压器油主要分石蜡基油和环烷基油两大类，前者又称烷烃基油，后者又称环烷烃基油。天然原油的化学组成较复杂，不同产地或同一产地不同油井甚至同一油井不同油层开采出来的石油的化学组成也不是完全相同的。为了判断原油的特点，采用API度关键馏分分类法，测定两个关键馏分的密度而计算出API度，将原油分为石蜡基，石蜡一中间基，中间一石蜡基，中间基，中间一环烷基，环烷一中间基，环烷基共7类。但一般将变压器油源粗分为石蜡基油源、中间基油源和环烷基油源三类。硫含量＜0.5％为低硫，2％为高硫，中间值为中硫。我国的环烷基原油主要分布在新疆九区（克拉玛依）、大港羊三木、胜利单家寺、辽宁欢喜岭等油区，而大庆等地的原油都是石蜡基原油。国际上环烷基原油只占总原油2%，较少。石蜡基油和环烷基油的芳烃含量较相近，主要差别是石蜡基油的链烷烃含量较高，而环烷基油的环烷烃含量较高，特别是三环和四环的环烷烃较高。二、环烷烃原油选用环烷烃原油炼制变压器油的主要原因：1、环烷烃结构稳定；2、环烷烃原油中的成分构成比例合理；3、环烷烃原油中的单环、双环芳烃提高了变压器油的抗氧化性和抗析气性。烃类组成表示法1、单体烃2、族组成3、结构族组成：环烷基、中间基、石蜡基三、变压器油的炼制过程原油的预处理油的分馏油的精制油的调和TPRI纯净的变压器油是由许多不同分子量的烃类化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3*、CH2*、CH*化学基团，并由C一C键合在一起。它是非极性和弱极性分子结构，具有良好的电气性能。目前国内各大炼油厂对变压器油的精制提炼工艺原理基本相同。变压器油是从石油中提炼而成的产品。由我国炼制生产的变压器油的石油原料为石蜡基原油、环烷基原油和混合（中间基）原油三种。国产大多属石蜡基变压器油（如由大庆油田原油制成），少量的为环烷基变压器油（如由克拉玛依油田、新疆独山子油田原油制成）。而国际上一般都采用环烷基原油制成变压器油，因从这种原油中容易提取到凝固点很低的变压器油。如采用石蜡基原油，为获得低凝固点，必须要解决脱蜡问题，就要加入抗凝剂。根据原油性质和变压器油要求可选不同形式和不同深度的脱蜡和精制工艺，有酮苯脱蜡、糠醛精制、酚精制、加氢精制、白土精制等。经常压蒸馏、溶剂脱蜡、溶剂精制、白土精制后得到的基础油，再加上适量的抗氧化剂调制而成。一般变压器油的炼制工艺是采用在常压或减压状态下进行蒸馏，然后截取馏分，在温度260一400℃，使其组成为烷烃、环烷烃、芳烃以及少量有机酸类、硫化物、氮化物、胶质沥青等高分子化合物、有机化合物等胶质物的混合物，经酸、溶剂进行精制和白土处理后得到的基础油，再加上适量0.5%）的抗氧化剂而制成10号、25号、45号变压器油。按矿物油本身成分来区分，变压器油分为石蜡基原油制成的油和环烷基原油制成的油。也就是说，变压器油是石油的馏分油。所谓馏分油就是石油通过常压加热，使液体在上述温度下变成气态后再降温凝结成液体，即为变压器油，正如普通水加热到100℃烧开后变成蒸再降温凝结便成蒸馏水一样。从原油到变压器油必须经过许多程序，以上炼油过程也不是绝对必须遵循的程序。可能会跳过某些步骤，或增加某些步骤。各炼油厂稍有不但步骤过于简化会影响油的质量，譬如运行中油介质损耗因数容易增高。。下面将几个步骤分别叙述如下1、蒸馏在精炼过程中，第一步骤通常是蒸馏，在这个过程中，将原油分成不同沸点的蒸馏液；不同原油在规定的沸点范围内是有严格规定的，这与变压器油的品质有很大关系，由于变压器油是高利润产品，有些制造厂把沸点范围放宽，变压器油的产量虽高，但油的品质较差，甚至造成变压器油的不稳定，如石蜡基原油，蒸馏的沸点在320一400℃范围。2．脱蜡环烷基原油几乎不含正链烷就不需经过脱蜡；但对石蜡基原油，为了达到合理的低温特性，就需脱蜡过程：脱蜡的基本原理是将油和溶剂混合起来，然后进行冷却，石蜡结晶分离。不同的厂家采用的溶剂和比例也不同。3．萃取萃取步骤是从蒸馏中除去不稳定分子皂（芳族）的最古老的方法，而且一直沿